Überwachung des feinmotorischen und assoziativen Lernens bei Mäusen mit Hilfe der Erasmus-Leiter
Summary
In diesem Artikel wird ein Protokoll vorgestellt, das eine nicht-invasive und automatisierte Bewertung der feinmotorischen Leistung sowie adaptives und assoziatives motorisches Lernen bei Herausforderungen unter Verwendung eines Geräts namens Erasmus-Leiter ermöglicht. Der Schwierigkeitsgrad der Aufgabe kann titriert werden, um motorische Beeinträchtigungen zu erkennen, die von schweren bis hin zu subtilen Graden reichen.
Abstract
Verhalten wird durch Handlungen geprägt, und Handlungen erfordern motorische Fähigkeiten wie Kraft, Koordination und Lernen. Keines der Verhaltensweisen, die für die Erhaltung des Lebens unerlässlich sind, wäre ohne die Fähigkeit, von einer Position in eine andere zu wechseln, möglich. Leider können die motorischen Fähigkeiten bei einer Vielzahl von Krankheiten beeinträchtigt sein. Daher ist die Untersuchung der Mechanismen motorischer Funktionen auf zellulärer, molekularer und Schaltkreisebene sowie das Verständnis der Symptome, Ursachen und des Fortschreitens motorischer Störungen entscheidend für die Entwicklung wirksamer Behandlungen. Zu diesem Zweck werden häufig Mausmodelle eingesetzt.
Dieser Artikel beschreibt ein Protokoll, das die Überwachung verschiedener Aspekte der motorischen Leistung und des Lernens bei Mäusen mit einem automatisierten Tool namens Erasmus Ladder ermöglicht. Der Test umfasst zwei Phasen: eine erste Phase, in der die Mäuse darauf trainiert werden, eine horizontale Leiter aus unregelmäßigen Sprossen zu navigieren (“feinmotorisches Lernen”), und eine zweite Phase, in der ein Hindernis auf dem Weg des sich bewegenden Tieres dargestellt wird. Die Störung kann unerwartet sein (“herausgefordertes motorisches Lernen”) oder von einem auditiven Ton vorausgehend (“assoziatives motorisches Lernen”). Die Aufgabe ist einfach durchzuführen und wird vollständig von automatisierter Software unterstützt.
Dieser Bericht zeigt, wie verschiedene Messwerte des Tests, wenn sie mit empfindlichen statistischen Methoden analysiert werden, eine feine Überwachung der motorischen Fähigkeiten von Mäusen anhand einer kleinen Kohorte von Mäusen ermöglichen. Wir schlagen vor, dass die Methode sehr empfindlich sein wird, um motorische Anpassungen, die durch Umweltmodifikationen verursacht werden, sowie subtile motorische Defizite im Frühstadium in mutierten Mäusen mit beeinträchtigten motorischen Funktionen zu bewerten.
Introduction
Es wurde eine Vielzahl von Tests entwickelt, um motorische Phänotypen bei Mäusen zu beurteilen. Jeder Test gibt Aufschluss über einen bestimmten Aspekt des motorischen Verhaltens1. Zum Beispiel gibt der Freifeldtest Aufschluss über den allgemeinen Bewegungs- und Angstzustand; die Rotarod- und Hubbalkentests auf Koordination und Gleichgewicht; Bei der Fußabdruckanalyse geht es um den Gang; das Laufband oder das Laufrad bei erzwungener oder freiwilliger körperlicher Betätigung; Und beim komplexen Rad geht es um das Erlernen motorischer Fähigkeiten. Um motorische Phänotypen von Mäusen zu analysieren, müssen die Forscher diese Tests nacheinander durchführen, was viel Zeit und Mühe und oft mehrere Tierkohorten erfordert. Wenn Informationen auf zellulärer oder Schaltkreisebene vorhanden sind, entscheidet sich der Untersucher normalerweise für einen Test, der einen verwandten Aspekt überwacht und von dort aus folgt. Es fehlen jedoch Paradigmen, die verschiedene Aspekte des motorischen Verhaltens automatisiert unterscheiden.
Dieser Artikel beschreibt ein Protokoll zur Verwendung der Erasmus Ladder 2,3, einem System, das eine umfassende Bewertung einer Vielzahl von motorischen Lernmerkmalen bei Mäusen ermöglicht. Die Hauptvorteile sind die Reproduzierbarkeit und Sensitivität der Methode sowie die Fähigkeit, motorische Schwierigkeiten zu titrieren und Defizite in der motorischen Leistungsfähigkeit von beeinträchtigtem assoziativem motorischem Lernen zu trennen. Die Hauptkomponente besteht aus einer horizontalen Leiter mit abwechselnd hohen (H) und niedrigen (L) Sprossen, die mit berührungsempfindlichen Sensoren ausgestattet sind, die die Position der Maus auf der Leiter erkennen. Die Leiter besteht aus 2 x 37 Sprossen (L, 6 mm; H, 12 mm) im Abstand von 15 mm zueinander angeordnet und in einem Links-Rechts-Wechselmuster mit 30 mm Lücken angeordnet (Abbildung 1A). Sprossen können einzeln verschoben werden, um verschiedene Schwierigkeitsgrade zu erzeugen, d.h. ein Hindernis zu schaffen (Anhebung der hohen Sprossen um 18 mm). In Verbindung mit einem automatisierten Aufzeichnungssystem und der Verknüpfung von Modifikationen des Sprossenmusters mit sensorischen Reizen testet die Erasmus-Leiter das feinmotorische Lernen und die Anpassung der motorischen Leistung als Reaktion auf Umweltherausforderungen (Auftreten einer höheren Sprosse, um ein Hindernis zu simulieren, ein unkonditionierter Reiz [US]) oder die Assoziation mit sensorischen Reizen (ein Ton, ein konditionierter Reiz [CS]). Die Tests umfassen zwei verschiedene Phasen, in denen jeweils die Verbesserung der motorischen Leistung über 4 Tage bewertet wird, in denen die Mäuse eine Sitzung von 42 aufeinanderfolgenden Versuchen pro Tag durchlaufen. In der Anfangsphase werden die Mäuse darauf trainiert, auf der Leiter zu navigieren, um das “feine” oder “geschickte” motorische Lernen zu beurteilen. Die zweite Phase besteht aus verschachtelten Versuchen, bei denen ein Hindernis in Form einer höheren Sprosse auf dem Weg des sich bewegenden Tieres dargestellt wird. Die Störung kann unerwartet sein, um das “herausgeforderte” motorische Lernen zu beurteilen (nur in den USA) oder durch einen auditiven Ton angekündigt werden, um das “assoziative” motorische Lernen zu beurteilen (gepaarte Studien).
Die Erasmus-Leiter wurde erst vor relativ kurzer Zeit entwickelt 2,3. Es wurde bisher nicht ausgiebig eingesetzt, da die Einrichtung und Optimierung des Protokolls konzentrierte Anstrengungen erforderte und speziell entwickelt wurde, um kleinhirnabhängiges assoziatives Lernen zu bewerten, ohne sein Potenzial, andere motorische Defizite aufzudecken, im Detail zu untersuchen. Bisher wurde es für seine Fähigkeit validiert, subtile motorische Beeinträchtigungen im Zusammenhang mit zerebellärer Dysfunktion bei Mäusen aufzudecken 3,4,5,6,7,8. Zum Beispiel zeigen Connexin36 (Cx36) Knockout-Mäuse, bei denen die Gap Junctions in den Olivary-Neuronen beeinträchtigt sind, Feuerdefizite aufgrund fehlender elektrotonischer Kopplung, aber der motorische Phänotyp war schwer zu lokalisieren. Tests mit der Erasmus-Leiter deuteten darauf hin, dass die Rolle der inferioren olivarischen Neuronen bei einer motorischen Lernaufgabe des Kleinhirns darin besteht, präzise zeitliche Kodierung von Reizen zu kodieren und lernabhängige Reaktionen auf unerwartete Ereignisse zu erleichtern 3,4. Die Fragile X Messenger Ribonukleoprotein 1 (Fmr1) Knockout-Maus, ein Modell für das Fragile-X-Syndrom (FXS), weist eine bekannte kognitive Beeinträchtigung zusammen mit leichteren Defekten in der prozeduralen Gedächtnisbildung auf. Fmr1-Knockouts zeigten keine signifikanten Unterschiede in Schrittzeiten, Fehltritten pro Versuch oder motorischer Leistungsverbesserung im Vergleich zu Sitzungen in der Erasmus-Leiter, konnten aber ihr Laufmuster im Vergleich zu ihren Wildtyp-Wurfgeschwistern (WT) nicht an das plötzlich auftretende Hindernis anpassen, was spezifische prozedurale und assoziative Gedächtnisdefizite bestätigte 3,5. Darüber hinaus zeigten zellspezifische Maus-Mutantenlinien mit Defekten in der Kleinhirnfunktion, einschließlich beeinträchtigter Purkinje-Zellleistung, Potenzierung und Molekularschicht-Interneuron- oder Körnerzellausgänge, Probleme in der motorischen Koordination mit verändertem Erwerb effizienter Schrittmuster und in der Anzahl der Schritte, die zum Überqueren der Leiter erforderlich sind6. Eine neonatale Hirnverletzung verursacht kleinhirnartige Lerndefizite und Purkinje-Zell-Dysfunktion, die auch mit der Erasmus-Leiter 7,8 nachgewiesen werden konnten.
In diesem Video präsentieren wir eine umfassende Schritt-für-Schritt-Anleitung, die die Einrichtung des Verhaltensraums, das Verhaltenstestprotokoll und die anschließende Datenanalyse detailliert beschreibt. Dieser Bericht ist so gestaltet, dass er zugänglich und benutzerfreundlich ist und speziell für Neueinsteiger entwickelt wurde. Dieses Protokoll bietet Einblicke in die verschiedenen Phasen des motorischen Trainings und die erwarteten motorischen Muster, die Mäuse annehmen. Schließlich schlägt der Artikel einen systematischen Workflow für die Datenanalyse unter Verwendung eines leistungsstarken nichtlinearen Regressionsansatzes vor, komplett mit wertvollen Empfehlungen und Vorschlägen für die Anpassung und Anwendung des Protokolls in anderen Forschungskontexten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Erasmus-Leiter bietet große Vorteile für die motorische Phänotyp-Bewertung, die über die derzeitigen Ansätze hinausgehen. Die Tests sind einfach durchzuführen, automatisiert, reproduzierbar und ermöglichen es den Forschern, verschiedene Aspekte des motorischen Verhaltens anhand einer einzigen Mauskohorte separat zu bewerten. In der aktuellen Studie ermöglichte die Reproduzierbarkeit die Generierung robuster Daten mit einer kleinen Anzahl von WT-Mäusen, die die Funktionen des Geräts, das experimentelle Desig…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken der audiovisuellen Technikerin und Videoproduzentin Rebeca De las Heras Ponce sowie dem leitenden Tierarzt Gonzalo Moreno del Val für die Überwachung der guten Praxis bei Mäuseversuchen. Die Arbeit wurde durch Stipendien aus dem GVA-Exzellenzprogramm (2022/8) und der spanischen Forschungsagentur (PID2022143237OB-I00) an Isabel Pérez-Otaño finanziert.
Materials
| C57BL/6J mice (Mus musculus) | Charles Rivers | ||
| Erasmus Ladder device | Noldus, Wageningen, Netherlands | ||
| Erasmus Ladder 2.0 software | Noldus, Wageningen, Netherlands | ||
| Excel software | Microsoft | ||
| Sigmaplot software | Systat Software, Inc. |
Referencias
- Brooks, S. P., Dunnett, S. B. Tests to assess motor phenotype in mice: a user’s guide. Nat. Rev. Neurosci. 10 (7), 519-529 (2009).
- . Available from: https://www.noldus.com/erasmusladder (2023)
- Cupido, A., et al. . Detecting cerebellar phenotypes with the Erasmus ladder[dissertation]. , (2009).
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